Calculul cuantic pentru cei curioși de qubiți

Ce este calculul cuantic? Calculatoarele obișnuite funcționează conform unor reguli stricte de logică. Dar micile obiecte cuantice – cum ar fi electronii sau fotonii de lumină – pot încălca aceste reguli

Informatica cuantică reprezintă ideea că putem folosi această încălcare a regulilor cuantice pentru a procesa informațiile într-un mod nou – unul total diferit de modul în care funcționează computerele obișnuite. Acest lucru le face, în unele cazuri, să fie exponențial mai rapide decât orice calculator obișnuit.

De exemplu, un calculator cuantic ar putea descifra cu ușurință codurile care asigură securitatea serviciilor bancare pe internet.

Deci, ca un supercomputer?

Nu chiar. Un computer cuantic nu este doar un computer „mai rapid”. Există câteva sarcini specifice – cum ar fi factorizarea numerelor foarte mari – la care un computer cuantic ar fi uimitor. (Aici intervine spargerea codurilor – a se vedea mai jos.) Dar pentru majoritatea sarcinilor, un calculator cuantic ar fi cu puțin mai bun decât un calculator obișnuit.

Atunci la ce ar putea fi folosit un calculator cuantic?

Probabil că va fi cel mai util pentru agențiile guvernamentale, pentru companiile de cercetare și dezvoltare și pentru universități, pentru a rezolva probleme cu care computerele actuale au dificultăți.

Prima idee practică, propusă de fizicianul Richard Feynman în 1981, a fost aceea de a folosi un calculator cuantic pentru a simula mecanica cuantică. Acest lucru ar avea un impact asupra chimiei și biologiei. Chimiștii, de exemplu, ar putea modela cu precizie interacțiunile dintre medicamente, iar biologii ar putea studia toate modurile posibile în care proteinele se pot plia și interacționa între ele.

În timp ce calculatoarele cuantice au fost cândva o curiozitate academică, interesul a explodat în 1994, când matematicianul american Peter Shor a găsit o modalitate de a folosi calculatoarele cuantice pentru a sparge coduri.

În prezent, multe sisteme de securitate online funcționează pe principiul că este aproape imposibil să iei un număr foarte mare și să îți dai seama care sunt factorii săi primi. Tot ce poate face un computer obișnuit este să încerce fiecare posibilitate una după alta – o sarcină care ar putea dura miliarde de ani. Folosind algoritmul lui Shor, un computer cuantic ar putea îndeplini această sarcină în câteva ore.

Computerele cuantice ar putea fi, de asemenea, fantastice la recunoașterea modelelor în date – utile pentru problemele de învățare automată, cum ar fi capacitatea de a identifica diferite obiecte într-o imagine. Ar putea fi grozave la construirea de modele pentru a prezice viitorul, cum ar fi în prognoza meteo pe termen lung.

Dar, în cele din urmă, utilizările calculatorului cuantic sunt imprevizibile. Gândiți-vă că, în 1943, Thomas Watson, președintele IBM, a declarat: „Cred că există o piață mondială pentru poate cinci calculatoare”. Acum există cinci în fiecare gospodărie.

Dacă precedentul este un ghid, încă trebuie să ne imaginăm care vor fi utilizările computerelor cuantice.

Cum funcționează calculul cuantic?

Computerele obișnuite se bazează pe „biți” – imaginați-vă că sunt mici întrerupătoare care indică fie un 1, fie un 0.

Informatica cuantică se bazează pe biți cuantici, sau „qubiți”, care pot reprezenta, de asemenea, un 0 sau un 1. Lucrul nebunesc este că qubiții pot obține, de asemenea, o stare mixtă, numită „superpoziție”, în care sunt atât 1, cât și 0 în același timp. Această ambiguitate – capacitatea de a fi și de a nu fi – este cheia puterii calculului cuantic.

Cum ajută superpoziția?

Diferența dintre calculatoarele obișnuite și cele cuantice se reduce la modul în care acestea abordează o problemă.

Un calculator obișnuit încearcă să rezolve o problemă în același mod în care ați putea încerca să scăpați dintr-un labirint – încercând toate coridoarele posibile, întorcându-se la fundături, până când, în cele din urmă, găsiți ieșirea. Dar superpoziția permite calculatorului cuantic să încerce toate căile deodată – în esență, găsind scurtătura.

Doi biți din calculatorul dumneavoastră pot fi în patru stări posibile (00, 01, 10 sau 11), dar numai una dintre ele în orice moment. Acest lucru limitează calculatorul la procesarea unei intrări la un moment dat (cum ar fi încercarea unui singur coridor în labirint).

Într-un calculator cuantic, doi qubiți pot reprezenta, de asemenea, exact aceleași patru stări (00, 01, 10 sau 11). Diferența este că, din cauza superpoziției, qubiții pot reprezenta toate cele patru în același timp. Este un pic ca și cum ai avea patru computere obișnuite care să funcționeze unul lângă altul.

Dacă adăugați mai mulți biți la un computer obișnuit, acesta poate în continuare să se ocupe doar de o singură stare la un moment dat. Dar, pe măsură ce adăugați qubiți, puterea calculatorului cuantic crește exponențial. Pentru cei înclinați spre matematică, putem spune că, dacă aveți „n” qubiți, puteți reprezenta simultan 2n stări.)

Este ca acea veche fabulă despre un indian antic, numit Sessa, care a inventat jocul de șah. Regele a fost încântat de joc și l-a rugat pe Sessa să numească recompensa sa. Sessa a cerut cu umilință o singură tablă de șah cu un bob de grâu pe primul pătrat, două pe al doilea, patru pe al treilea și așa mai departe. Regele a fost imediat de acord, fără să-și dea seama că a promis mai mult grâu decât exista pe Pământ. Aceasta este puterea creșterii exponențiale.

La fel cum fiecare pătrat a dublat grâul lui Sessa, fiecare qubit suplimentar dublează puterea de procesare. Trei qubiți vă oferă 23, ceea ce înseamnă opt stări în același timp; patru qubiți vă oferă 24, adică 16 stări. Și 64 de qubiți? Îți oferă 264, ceea ce înseamnă 18.446.744.073.709.600.000 de posibilități! Asta înseamnă o valoare de aproximativ un milion de terabytes.

În timp ce 64 de biți obișnuiți pot reprezenta, de asemenea, acest număr uriaș (264) de stări, ei pot reprezenta doar una la un moment dat. Pentru a parcurge toate aceste combinații, la o viteză de două miliarde pe secundă (care este o viteză tipică pentru un PC modern), ar dura aproximativ 400 de ani.

Toate acestea înseamnă că computerele cuantice ar putea aborda probleme care sunt „practic imposibile” pentru computerele clasice.

Dar pentru a obține această creștere exponențială a vitezei, soarta tuturor qubiților trebuie să fie legată împreună într-un proces numit entanglement cuantic. Acest fenomen ciudat, pe care Einstein l-a numit „acțiune ciudată la distanță”, poate conecta particule cuantice chiar dacă acestea se află la capetele opuse ale universului.

Ce face un qubit?

Pentru a face un qubit, aveți nevoie de un obiect care poate atinge o stare de superpoziție cuantică între două stări.

Un nucleu atomic este un tip de qubit. Direcția momentului său magnetic (este „spinul”) poate indica în direcții diferite, de exemplu în sus sau în jos în raport cu un câmp magnetic.

Provocarea constă în plasarea și apoi adresarea acelui singur atom.

O echipă australiană condusă de Michelle Simmons de la Universitatea din New South Wales, a realizat qubiți atomici prin plasarea unui singur atom de fosfor într-o poziție cunoscută în interiorul unui cristal de siliciu.

O altă idee este de a îndepărta un electron de pe atom și de a-l transforma într-un ion. Apoi se pot folosi câmpuri electromagnetice pentru a suspenda ionul în spațiul liber, trăgând cu lasere în el pentru a-i schimba starea. Astfel se obține un calculator cuantic cu „ioni prinși în capcană”.

Un curent într-o buclă de metal supraconductor poate fi, de asemenea, într-o superpoziție (între sensul acelor de ceasornic și sensul invers), un pic ca o mică bandă de alergare care rulează înainte și înapoi în același timp.

Un foton de lumină poate fi în superpoziție în direcția în care se unduiește. Unele grupuri au asamblat circuite cuantice trimițând fotoni în jurul unui labirint de fibre optice și oglinzi.

Cum se creează superpoziția?

Ați încercat vreodată să echilibrați o monedă exact pe marginea ei? Cam așa este programarea unui qubit. Implică să faci ceva cu un qubit astfel încât, într-un anumit sens, acesta să ajungă să fie „echilibrat” între stări.

În cazul nucleului atomic, acest lucru ar putea fi prin electrocutarea acestuia cu un câmp electric sau magnetic, lăsându-l cu o probabilitate egală de a se roti într-un fel sau altul.

Cum citiți informațiile de pe qubiți?

Există o aură mistică în legătură cu ceea ce se întâmplă în timpul unui calcul cuantic. Fizicienii cei mai extrovertiți descriu qubiții ca fiind implicați într-un fel de ședință de spiritism cuantic cu lumi paralele pentru a ghici răspunsul.

Dar nu este vorba de magie, ci doar de mecanică cuantică.

Să spunem că ați pus în funcțiune noul dumneavoastră calculator cuantic de 64 de qubiți pentru primul său calcul. Așezați toți cei 64 de qubiți în superpoziție, la fel ca 64 de monede, toate echilibrate pe margine. Împreună, acestea dețin 264 de stări posibile în limbo. Știi că una dintre aceste stări reprezintă răspunsul corect. Dar care dintre ele?

Problema este că citirea qubiților face ca superpoziția să se prăbușească – ca și cum ai bate cu pumnul în masă cu toate aceste monede echilibrate.

Aici intervine un algoritm cuantic precum cel al lui Shor. Acesta încarcă qubiții pentru a crește șansele ca aceștia să cadă pe partea corectă și să ne dea răspunsul corect.

Au fost construite deja computere cuantice?

Se pare că da, deși niciunul dintre ele nu poate face încă ceva care să depășească computerele convenționale.

În ultimii trei ani s-au înregistrat progrese spectaculoase în domeniul calculului cuantic. În timp ce în 2016 revista Nature sărbătorea un computer cu nouă qubiți dezvoltat de cercetătorii de la Google. Optsprezece luni mai târziu, în decembrie 2017, IBM raporta calculatorul cuantic cu 50 de qubiți. În decurs de patru luni, Google a devansat din nou, cu computerul lor cuantic „Bristlecone” de 72 de qubiți. Între timp, IBM a produs primul computer cuantic disponibil în comerț – oferind acces în cloud la mașina lor Q System One de 20 de qubiți, contra cost.

D-Wave este în continuare cu mult în față cu crearea sa de a folosi 2000 de bucle supraconductoare ca qubiți, deși unii fizicieni sunt sceptici că D-Wave a construit un adevărat calculator cuantic.

Toți marii jucători au în vizor următoarea etapă majoră: „supremația cuantică”. Aceasta înseamnă atunci când un calculator cuantic rezolvă o problemă care depășește capacitățile mașinilor clasice. Teoretic, acest lucru ar trebui să fie posibil cu o mașină cu 50 de qubiți, dar numai dacă ratele de eroare sunt suficient de scăzute.

De ce este atât de dificil să construiești un calculator cuantic?

Există provocări la fiecare nivel, de la asamblarea qubiților, la citirea și scrierea informațiilor pe aceștia, la transferul de informații înainte și înapoi fără ca acestea să dispară într-un suflu de incertitudine.

Un qubit este diva supremă. În timp ce o starletă de la Hollywood ar putea cere un vestiar gigantic și o baie plină de petale de trandafir, un qubit cere o izolare perfectă și un termostat setat la o sutime de grad peste zero absolut. Cea mai mică vibrație a unui atom din apropiere poate face ca un qubit să facă o criză de furie cuantică și să-și piardă superpoziția.

Dificultatea principală este cum să menții stările delicate de superpoziție și încurcare suficient de mult timp pentru a efectua un calcul – așa-numitul timp de coerență.

În ciuda acestei provocări descurajatoare, cursa pentru construirea primului calculator cuantic practic a devenit una dintre marile provocări științifice ale timpului nostru – implicând mii de fizicieni și ingineri de la zeci de institute de cercetare împrăștiate pe tot globul.